2014-02-13
824
Выбор главного двигателя для прототипа судна
СОГЛАСОВАННОСТЬ ГЛАВНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ГРЕБНЫМ ВИНТОМ
При выполнении курсовых работ и дипломных проектов по дисциплине «Техническая эксплуатация судовых энергетических установок» производится расчет и построение паспортной диаграммы для выбранного прототипа судна.
В начале обосновывается тип судовой энергетической установки и главного двигателя, и определяется его мощность, необходимая для обеспечения движения судна с заданной скоростью.
Обычно для определения мощности ГД рекомендуется использовать эмпирические формулы, из которых наиболее приемлемой служит формула с так называемыми адмиралтейскими коэффициентами:
где V — объемное водоизмещение судна, м3;
v — скорость хода судна в узлах;
Са — адмиралтейский коэффициент (для большинства одновальных грузовых судов по опытным данным Са = 390...425);
ηвл = 0,96...0,98 — коэффициент полезного действия линии валопровода;
ηN = 0,97...0,98 — коэффициент полезного действия передачи (при наличии редуктора).
|
|
|
Подставляя в формулу (5.1) значения V и v, соответствующие данному прототипу судна, находим величину Ne главного двигателя.
Определив величину мощности ГД, можно по каталогам для выпускаемых дизелестроительными заводами марок и модификаций дизелей (см. Приложения) подобрать соответствующий данной мощности двигатель.
Следует учесть при этом, что в судовых условиях мощность, развиваемая ГД, соединенным прямой передачей с винтом фиксированного шага, находится в тесной зависимости от мощности, затрачиваемой на вращение ГВ.
В этих условиях режим работы двигателя полностью определяется режимом работы и гидродинамическими характеристиками ГВ, т.е. мощность, развиваемая двигателем, полностью подчиняется закону потребления мощности на вращение ГВ — закону винтовой характеристики.
Учитывая это, следует проверить согласованность (соответствие) выбранного ГД с характеристиками ГВ прототипа судна.
Согласованным с ГВ, очевидно, будет такой двигатель, при работе с которым он может развивать номинальную мощность Neн при номинальной частоте вращения псн в определенных эксплуатационных условиях, когда судно в полном грузу при чистом корпусе движется в штилевую погоду [2].
Если при подборе ГД по каталогам окажется, что номинальные параметры (Ne2 и п2) выбранной марки двигателя несколько отличаются от таких параметров двигателя прототипа судна (Ne1 и п1), то при оценке согласованности нового ГД с установленном на прототипе судна ГВ возможны нижеследующие основные варианты несоответствия этих параметров [5].
|
|
|
При этом будем считать, что на прототипе судна ГД согласован с ГВ, и на последующих рисунках его винтовая характеристика изображается кривой I, а согласованному режиму работы ГД с ГВ соответствует точка 1.
Вариант 1.
Номинальная мощность выбранного двигателя Ne2 равна мощности ГД прототипа судна Ne1, но частота вращения его вала п2 больше, чем у прототипа п1, т.е. Ne2 = Ne1; n2 > п1 (рис. 5.1).
На графике винтовой характеристики ГД прототипа судна (кривая I) номинальный режим нового ГД обозначится точкой 2, правее кривой I. Это свидетельствует о том, что для данного двигателя ГВ будет гидродинамически тяжелым. Чтобы не допустить перегрузки ГД придется работать на пониженной частоте вращения n3 и уменьшенной мощности Nе3, чему на рис. 5.1 соответствует точка 3, которая находится на пересечении винтовой характеристики (кривая I) с ограничительной характеристикой двигателя по максимальному допустимому крутящему моменту (линия II).
Рис. 5.1. Режим Ne1 = Ne2; n2 > п1
При этом режиме работы скорость движения судна v снизится на величину Δυ:
где υ1 — скорость движения судна при частоте вращения п1 (точка 1);
υ 3 — скорость хода судна при частоте вращения n3 (точка 3).
При повышении сопротивления корпуса судна вследствие естественных факторов (обрастание, штормовые условия и др.) во избежание перегрузки двигателя придется в дальнейшем соответственно понижать частоту вращения и мощность двигателя. И, следовательно, снижать скорость хода судна. Очевидно, выбор такого двигателя не эффективен и нежелателен.
Вариант 2.
Номинальная мощность выбранного двигателя Ne2 равна мощности ГД прототипа судна Ne1, но частота вращения п2 меньше, чем у прототипа судна п1 т.е. Ne2=Ne1, п2<п1 (рис. 5.2). На винтовой характеристике номинальный режим нового ГД соответствует точке 2, левее кривой I. Для данного двигателя ГВ будет гидродинамически легким. Режим его работы на винтовой характеристике будет соответствовать точке 3, на пониженной мощности Ne3 при номинальной частоте вращения п2.
Чтобы избежать перегрузку двигателя превышать номинальную частоту вращения, как известно, не допускается, так как частота вращения п2<п1 следовательно, судно будет иметь пониженную скорость υ 3. Снижение скорости Δυ, как и в варианте 1, будет равняться:
Рис. 5.2. Режим Ne1=Ne2, п2<п1
При повышении сопротивления корпуса судна винт становится более тяжелым (винтовая характеристика — кривая II). В этом случае использование мощности двигателя можно увеличить до Nе4 при постоянной частоте вращения п2, что соответствует точке 4, лежащей на ограничительной характеристике по максимальному крутящему моменту для валопровода — линия III. Увеличение мощности более величины Nе4 (выше точки 4) не допускается из-за возможной механической перегрузки валопровода.
В результате двигатель при работе на данный ГВ не сможет развивать номинальную мощность Ne2, равную Ne1, при номинальной частоте вращения п2.
Таким образом, выбор такого двигателя не эффективен и нежелателен. Однако, здесь следует рассмотреть вариант, когда частота вращения у выбранного двигателя отличается от прототипа менее, чем на 3%, т.е.
Как известно из раздела 2, в этом случае при работе на ГВ двигатель будет иметь до 10% резерва мощности, большую часть которой затем можно будет реализовать при естественном гидродинамическом утяжелении ГВ. Следовательно, такой двигатель можно считать практически согласованным с ГВ. Потеря скорости при этом будет незначительна.
Вариант 3.
Частоты вращения вала у выбранного двигателя п2 и ГД прототипа судна п1\ совпадают, т.е. п2=п1, но мощность двигателя Ne2<Ne1 (рис. 5.3). На винтовой характеристике с такими параметрами показана точка 2, находящаяся правее кривой I. Это значит, что для данного двигателя винт гидродинамически тяжелый. При работе на ГВ, чтобы не допустить перегрузки, двигатель должен работать на режиме пониженной частоты вращения п3 и, соответственно, на меньшей мощности Ne3. Точка 3 лежит на пересечении винтовой характеристики I и ограничительной по максимальному крутящему моменту для выбранного двигателя — линии II.
|
|
|
Такой двигатель всегда должен будет работать в режиме с пониженной мощностью Ne3 и меньшей частотой вращения п3, следовательно, судно будет иметь пониженную скорость хода. Ясно, что выбранный двигатель явно не согласуется с ГВ.
Рис. 5.3. Режим Ne2<Ne1; п1=п2
Вариант 4.
У выбранного двигателя мощность Ne2 больше, чем у прототипа судна Ne1 т.е. Ne2>Ne1, а частоты вращения совпадают п2=п1 (рис. 5.4). На винтовой характеристике параметрам данного двигателя соответствует точка 2, которая расположена левее кривой I. Следовательно, ГВ для данного двигателя будет гидродинамически легким. Согласованность работы этого двигателя с ГВ характеризуется точкой 1, номинальная мощность двигателя при этом не используется полностью. В процессе естественного утяжеления ГВ двигатель при постоянной частоте вращения п1 может перейти на работу по новой винтовой характеристике — кривая II.
Однако при этом придется снизить частоту вращения до п3, мощность двигателя уменьшится до величины Ne3, чтобы не перейти ограничительную характеристику по максимальному крутящему моменту для валопровода (линия III). Точка 3, лежащая на пересечении винтовой характеристики II с ограничительной характеристикой III, соответствует этому режиму работы двигателя.
Таким образом, избыточная мощность двигателя не может быть реализована. При таком режиме работы двигателя уменьшается скорость судна соответственно снижению частоты вращения гребного винта.
Рис. 5.4. Режим Ne2>Ne1; п2=п1
В практике судостроения выбираемые номинальные параметры Neн и псн устанавливаемого на судно дизеля обычно согласуются с исходной характеристикой винта (рис. 5.5, кривая I) длячистого нового корпуса судна в полном грузу таким образом, чтобы при п1= псн был обеспечен запас мощности 10... 15%.
|
|
|
Рис. 5.5. Облегченная и утяжеленная винтовые характеристики
Следовательно, в начальный период эксплуатации дизель работает по облегченной винтовой характеристике (кривая II), а запас мощности используется для поддержания скорости при обрастании корпуса, и винта (постепенный переход режима работы с винтовой характеристики II на винтовую характеристику I при постоянной частоте вращения п1 от точки 2 до точки 1).
В дальнейшем при работе двигателя по более утяжеленной винтовой характеристике (кривая III) также придется снижать частоту и мощность двигателя (точка 3) во избежание перегрузки по максимальному крутящему моменту (линия IV).
Этому режиму работы соответствует точка 3, для которой мощность Ne3<Ne1 и скорость судна v3< v1.
В случае увеличения сопротивления судна при переходе с исходной винтовой характеристики (кривая I), на работу с более гидродинамически утяжеленной винтовой характеристикой (кривая II), двигатель может работать на номинальной частоте вращения n2=ncн=const до ограничительной характеристики по максимальному крутящему моменту для валопровода, (линия III, точка 4), используя резерв мощности до величины Ne4.
В отличие от диаграммы (рис. 5.2) ходовая характеристика судна (см. рис. 5.7) дает дополнительную информацию о том, что работа двигателя при постоянной частоте вращения п2=const от точки 3 до точки 4 сопровождается снижением скорости от v3 до v 4 вследствие уменьшения относительной поступи гребного винта λр.
В варианте подбора двигателя при п2 ≥ 0,97 п1 и резерве мощности Ne1 — Ne3≤ 0,1 Ne1 винт практически можно считать согласованным с главным двигателем, т.к. режим работы его мало отличается от исходного (точка 1), а резерв мощности может быть использован при утяжелении винтовой характеристики.
Для варианта 3 (Ne2<Ne1; n2<n1) на паспортной диаграмме судна (рис. 5.8) видно, что при работе по винтовой характеристике, кривая I, использование номинальной мощности Ne2 невозможно из-за ограничения по номинальному моменту двигателя (линия II, точка 3). При повышении сопротивления судна (утяжелении винтовой характеристики) недоиспользование мощности увеличивается пропорционально снижению частоты вращения вала.
Рис. 5.8. Режим Ne2<Ne1; n2<n1
В случае варианта 4 (Ne2>Ne1; п2=п1) при работе по исходной винтовой характеристике (рис. 5.9, кривая I) без превышения номинальной частоты вращения вала п3=п1 двигатель не может развить номинальную мощность Ne2, и его режим будет соответствовать точке 1 с меньшей мощностью, равной Nе1. С увеличением сопротивления судна переход двигателя на работу с винтовой характеристики (кривая I)на более утяжеленную винтовую характеристику (кривая II) может осуществляться без перегрузки при постоянном крутящем моменте — линия III от точки 1 до точки 3 при уменьшении частоты вращения от п1 до п3 и снижении мощности двигателя с Ne1 до Ne3. Соответственно произойдет и снижение скорости судна от v1 до v 3.
Если устанавливаемый на судно двигатель при работе по облегченной винтовой характеристике — кривая II имеет резерв мощности 10...15% при номинальной частоте вращения п1 (рис. 5.10), его режим работы характеризуется точкой 2, мощность Ne2 ≥ 0,85 Ne1, то при увеличении сопротивления движению судна переход на режим работы с облегченной винтовой характеристики (кривая II) на расчетную винтовую характеристику Рис. 5.9. Режим Ne2>Ne1; п2=п1
(кривая I) от точки 2 до точки 1 может осуществляться при постоянной номинальной частоте вращения п1 пока не реализуется резерв мощности, равный Ne1 — Ne2.
Хотя в этом случае двигатель работает на режиме с постоянной частотой вращения п1, но скорость судна снизится при этом с v2 до v1 вследствие уменьшения относительной поступи винта λр. Это совершенно не отражается на диаграмме (рис. 5.5).В дальнейшем при увеличении сопротивления судна и переходе с расчетной винтовой характеристики (кривая I) на утяжеленную (кривая III) двигатель переходит с режима работы от точки 1 до точки 3 не превышая мощности при постоянном крутящем моменте (рис. 5.10, линия IV).
Рис. 5.10. Переход режима работы ПУ с
облегченной характеристики на утяжеленную
